堆積體邊坡穩(wěn)定性分析研究現狀

李康彥

【摘 要】我國西南地區(qū)地質災害頻發(fā)，與此同時，正在興建和規(guī)劃當中的大多數水利工程也正是在該地區(qū)，因此，水庫堆積體邊坡的滑動范圍和穩(wěn)定性成為移民選址、水庫安全和水利工程經濟效益考慮的焦點之一。本文立足于西南水庫岸堆積體邊坡，從堆積體的成因類型、物質組成、特征和失穩(wěn)形式入手，研究目前邊坡穩(wěn)定性的理論分析方法。

【關鍵詞】堆積體；邊坡；穩(wěn)定性分析；研究現狀

0.引言

我國是一個地質災害十分頻繁的國家，尤其是我國西南地區(qū)，不僅地質災害數量多，而且災種全。其中崩塌、滑坡、泥石流等淺層表生地質災害異常突出，分布有大量的由滑坡堆積、崩塌堆積、殘積層、冰潰堆積、坡積物等組成的松散堆積體斜坡[1]。與此同時，西南地區(qū)一系列大型乃至巨型正在建設或規(guī)劃中的水電站相繼開工建設，在復雜地質環(huán)境和大規(guī)模工程活動、水庫蓄水及暴雨等復雜條件下，可能會有大量的水庫庫岸堆積體邊坡發(fā)生變形甚至失穩(wěn)破壞。

水庫庫岸堆積體邊坡失穩(wěn)的代價是巨大的。斜坡或邊坡作為一種人類不可回避的地學環(huán)境與工程形式，總是伴隨著人類的工程活動，人類為了安全始終關注著邊坡的穩(wěn)定性。一百多年來，人們對邊坡變形過程、失穩(wěn)形式、失穩(wěn)機制、穩(wěn)定評價及滑坡預測預報等進行了廣泛的研究，借助數學、力學和計算科學理論與方法，試圖對邊坡的穩(wěn)定、演化及滑坡的預測預報進行研究，并應用到工程實踐中。

1.土坡穩(wěn)定性分析理論研究現狀

1.1邊坡穩(wěn)定性分析現狀

邊坡失穩(wěn)作為普遍存在的工程問題受到國內外學者的重視。對此課題的研究，國內外都經歷了從實踐積累到理論歸納，再實踐，再歸納，并逐步總結提高的過程。十九世紀末二十世紀初，隨著發(fā)達國家的大規(guī)模土木工程建設，大量邊坡工程問題、特別是滑坡問題隨之產生，并造成了很大損失，人們開始應用材料力學和近代土力學的理論對邊坡問題進行半經驗、半理論的研究。上世紀五十年代，我國學者引進了前蘇聯的工程地質分析的體系，繼承和發(fā)展了地質歷史分析法，著重研究邊坡的工程地質背景和邊坡類型的劃分，以此進行邊坡的工程地質類比分析，在滑坡的分析和研究中取得了一定的成果。

1.2邊坡穩(wěn)定研究方法現狀

研究邊坡穩(wěn)定的方法主要有：“地質歷史分析”方法、極限平衡法、概率分析法、極限分析法、數值計算分析方法、物理模擬法、非線性方法等?，F將主要邊坡穩(wěn)定性評價方法列述如下：

（1）“地質歷史分析”方法：五十年代，我國許多工程地質工作者在滑坡研究中采用了蘇聯的“地質歷史分析”方法[4]，但該方法偏重于定性描述和分析。

（2）極限平衡法：極限平衡法是一種定量方法，也是工程中使用最多、最成熟的方法，其理論基礎為極限平衡理論。它通過分析在臨界破壞狀態(tài)下，土體外力與內部強度所提供的抗力之間的平衡計算土體在自身和外荷作用下的穩(wěn)定程度。同時，根據假設不同而形成不同方法，具有不同的適用范圍。

（3）極限分析法：巖土工程極限分析是典型的塑性極限分析問題。塑性極限分析對象包括塑性區(qū)Gussmnna.P提出了運動單元法，以莫爾一庫侖巖土介質為研究對象，采用離散技術與現代數值手段，通過運動分析、靜力分析和求多變量目標函數值的優(yōu)化分析，有效地分析了地基極限承載、擋土墻極限土壓力及斜坡穩(wěn)定性問題。

（4）數值計算分析方法：數值計算方法上，隨著計算機的普及和發(fā)展，出現了一批以彈性力學、結構力學為基礎的數值計算方法：FDM（有限差分法）、FEM（有限單元法）、DEM（離散單元法）、DDA（不連續(xù)變形分析）、FLAC（快速拉格朗日插值）、NNM（流形元方法）等。

（5）非確定性分析方法：該方法的評價基礎是工程地質類比法、滑坡靜態(tài)規(guī)律的認識以及預測科學的一般原理。隨著概率論、數理統(tǒng)計、信息理論、模糊數學等方法用于滑坡預測，目前已形成了多種預測模型。其預測成果可相互對比、檢驗，使預測成果更具合理性、科學性。目前常用的非確定性定量分析方法主要有以下幾種[7]：①經驗方法；②數理統(tǒng)計方法；③信息模型法；④模糊數學評判法；⑤灰色系統(tǒng)方法；⑥模式識別方法；⑦非線性模型預測法；⑧人工智能法。

其中，數值計算分析方法又可以分為如下幾種：

①有限單元法（FEM）：該方法是目前應用最廣泛的數值分析方法。它能夠考慮滑坡體的非均質性、不連續(xù)性等特征，考慮巖體的應力應變特征，避免將坡體視為剛體，能夠切實地以應力、應變?yōu)樽兞糠治鲞吰碌淖冃纹茐臋C制，對了解滑坡的應力分布、應變發(fā)展很有利。其不足之處是：數據準備工作量大，而且原始數據易出錯，不能保證整個區(qū)域內某些物理量的連續(xù)性；對解決無限性問題、應力集中等問題精度較差。

②邊界單元法（BEM）：該方法只需對已知區(qū)域的邊界進行極限離散化，具有輸入數據少的特點。其計算精度較高，在處理無限域方面有明顯的優(yōu)勢。其不足之處為：一般邊界元法得到的線性方程組的關系矩陣是滿的不對稱矩陣，不能采用有限元中成熟的求解稀疏對稱矩陣的解法。另外，邊界元法在處理材料的非線性嚴重不均勻的滑坡問題方面，遠不如有限元法。

③快速拉格朗日分析法（FLAC）：為了克服有限元等數值分析法不能求解巖土大變形問題的缺陷，人們根據顯式有限差分原理，提出了FLAC數值分析方法。該方法較有限元方法能更好地考慮巖土體的不連續(xù)性和大變形特征，求解速度較快。其缺點是同有限單元法一樣，計算邊界單元網格的劃分帶有很大的隨意性。

④離散單元法（DEM）：該方法可以直接反映巖體變化的應力場、位移場以及速度場等各個參量的變化，也可以模擬邊坡失穩(wěn)的全過程。另外，該方法特別適合塊裂介質的大變形及破壞問題的分析，但所需計算時步非常小，阻尼系數也難以確定。

⑤塊體理論（BT）：該方法是以構造地質和簡單的力學平衡計算為基礎，利用拓樸學和群論提出的一種評價三維不連續(xù)巖體穩(wěn)定性的方法。隨著關鍵塊體類型的確定，塊體理論能夠找出具有潛在危險的關鍵塊體的臨空面位置及分布。

除以上幾種方法外，近幾年還出現了如無界元（IDEM），不連續(xù)變形分析（DDA）等方法。此外，由于工程實踐的需要，出現了多種數值方法的算法，使滑坡穩(wěn)定分析數值方法化的趨勢更加明顯。但數值分析方法也存在著不足：由于地質條件的復雜性及認識的局限性，往往使計由于計算參數的選取是以某種簡化為基礎的，與實際存在一定誤差，繼而影響了計算結果的精度[5，6，7，8，9，10]。

1.3邊坡參數選取研究現狀

邊坡的靜力穩(wěn)定研究中，計算采用參數的準確程度會對邊坡穩(wěn)定的評價結果產生重大的影響，因此，本節(jié)對邊坡物理力學參數選取的研究現狀進行論述。

當前國內外巖體力學參數選取研究的總趨勢是有經驗、半經驗、精度較低的數值計算方法向考慮多種因素影響，計算過程復雜、精度較高代表性較強的數值中計算分析法發(fā)展。尤其是計算機的使用，使這一領域的研究加快。巖體力學參數選取常用的方法有點群中心法、優(yōu)定斜率法、最小二乘法、隨機一模糊法等。點群中心法由于人為因素影響過多，目前已不常采用，國內對于巖體力學參數的研究主要是從巖體力學參數本身所包含的隨機性和模糊性出發(fā)，應用隨機理論和模糊數學的方法，對試驗所得的數據進行分析以獲得更為逼近巖體力學實際參數的“真值”[11]。

1.3.1水庫庫岸堆積體邊坡塌岸范圍預測方法研究現狀

水庫蓄水運行過程中，庫岸所處的地質環(huán)境將發(fā)生改變，自然平衡條件遭到破壞，引起岸坡變形失穩(wěn)，庫岸線也逐漸后退，直至達到新的平衡狀態(tài)為止，這一過程稱為庫岸再造。庫岸再造是一個十分復雜的動力地質過程，受岸坡物質組成、結構特征、形態(tài)及水流等多因素控制，塌岸過程復雜，尚無法精確地通過數學計算式來表達。

1.3.2地震作用下邊坡穩(wěn)定性分析研究現狀

地震邊坡穩(wěn)定性研究是邊坡穩(wěn)定性研究的重要方面，是巖土工程和地震工程中關心的重要問題之一。劉紅帥等認為，從地震作用下是否考慮邊坡巖體參數的不確定性的觀點來看，巖土邊坡地震穩(wěn)定分析方法可分為確定性方法和概率分析方法兩大類；從邊坡穩(wěn)定性計算中對地震動作用的不同處理方式來看，巖土邊坡地震穩(wěn)定性分析方法宜分為擬靜力法、滑塊分析法、數值模擬法和試驗法四大類[5，10，12-18]。

2.結束語

目前，我國的大部分已建、正在興建和規(guī)劃中的水利水電工程都在該地區(qū)。水利工程中庫岸邊坡的滑動范圍和穩(wěn)定性問題是大壩安全、社會效益和水利工程經濟效益考慮的重要因素之一。同時，西南地區(qū)地殼活動頻繁，地震震級高、強度大，大量庫岸邊坡都是重力崩塌堆積體。西南堆積體邊坡，考慮地震作用下修正塌岸預測方法中圖解法，并將其用于預測邊坡滑動范圍；與實際情況對比進行反分析，藉此評價堆積體邊坡震后滑動范圍圖解法反分析在工程上的適用性。

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